專利名稱：門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷過電壓低損耗吸收電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷過電壓低損耗吸收電路，屬電氣控制技術(shù)領(lǐng)域。
在門極可關(guān)斷晶閘管(以下簡稱GTO)的關(guān)斷過程中，由于線路中雜散電感的存在，突然將電流關(guān)斷后，其陽陰極間會產(chǎn)生三個電壓尖峰，分別為VDSP、VDM和VR，它們對GTO的安全至關(guān)重要，圖1為GTO關(guān)斷時陽極對陰極電壓波形示意圖。
從GTO的安全角度考慮，VDSP和VDM不能過高，否則會由于過壓導(dǎo)致GTO的失效。而VR不能過低，否則容易使關(guān)斷的GTO重新導(dǎo)通。通常三個峰值電壓依靠并聯(lián)于GTO陽陰極間的關(guān)斷吸收電路來抑制，吸收電路在抑制電壓尖值的同時還有效的減小關(guān)斷損耗，從而保證GTO的安全關(guān)斷。
關(guān)斷吸收電路一般使用傳統(tǒng)的電阻-電容-二極管(RCD)吸收，但RCD吸收電路中吸收電容的儲能全部損耗在吸收電阻上，而GTO吸收電路一般要求較大的吸收電容，這使得RCD吸收電路損耗太大，使得提高直流電壓水平和提高開關(guān)頻率變得困難。因此，有必要采用一種低損耗的吸收電路。
實用的低損耗吸收電路有非對稱吸收電路、麥氏吸收電路和三角型吸收電路。其中三角型吸收電路的性能較好且吸收電路元件易于安裝，因此在實際中經(jīng)常使用，其電路如圖2所示。
但若采用如圖2所示的三角形吸收電路作為4500V/4000A GTO的關(guān)斷吸收電路，VDSP、VR不能滿足關(guān)斷安全要求。其原因是該種GTO(4500V/4000A)是國際范圍內(nèi)近兩年才出現(xiàn)的新型產(chǎn)品，傳統(tǒng)的吸收電路不一定能滿足其關(guān)斷要求，而國內(nèi)外雖然對吸收電路進行了大量研究工作，但由于工藝及成本等問題，研究成果很難在工程實際中使用，特別在這種高電壓、大功率，而且專門用于收發(fā)無功功率的電路中，更缺少一種成熟的吸收電路設(shè)計方案。
下面通過圖3、圖4、圖5來分析VDSP和VR的形成原因。
1)VDSP的形成圖3、4中，從t1-t2，電流從G1向吸收電路轉(zhuǎn)移階段。給G1加上門極關(guān)斷信號后，流過G1的電流iG向CS轉(zhuǎn)移。
在此階段下式成立L1diGdt+VAK=LSdiSdt+1CS∫isdt-VDS]]>由iG＝I0-is可得VAK=(L1+LS)diSdt+1CS∫isdt-VDS]]>忽略電容電壓項，有VDSP=LDSPdiSdt-VDS]]>=-LDSPdiGdt-VDS]]>式中LDSP＝L1+LS陽極電流截止時產(chǎn)生的diG/dt約為幾千安/微秒。負載電流I0在短時內(nèi)可認為保持恒定。吸收電路要承受一樣大的diG/dt，過電壓產(chǎn)生于導(dǎo)線和緩沖電容器之上。另外，吸收二極管DS產(chǎn)生遠比靜態(tài)壓降(VF)高的正向?qū)妷?VFpeak)。這種情況是由二極管的初始導(dǎo)通機制產(chǎn)生的，即載流子的缺乏導(dǎo)致導(dǎo)電率下降。所有這些壓降以及緩沖電容的容性電壓加到了尖峰電壓VDSP之中。即使這個值比靜態(tài)最高耐壓VDRM小很多，它對GTO也是非常危險。這是因為當(dāng)VDSP發(fā)生時，有相當(dāng)大的正陽極電流(尾部電流)仍在導(dǎo)通。這意味著GTO內(nèi)仍充滿電荷載流子，導(dǎo)致關(guān)斷能力下降。過大的VDSP會造成“動態(tài)雪崩”破壞器件。因此必須精確挑選低感吸收電容及小VF峰值的二極管。在吸收電容和二極管選定的情況下，應(yīng)盡可能減小布線L1和LS的布線電感。試驗發(fā)現(xiàn)，采用盡可能短的普通圓導(dǎo)線不能保證VDSP值在允許范圍內(nèi)。
2)VR的形成VR由吸收二極管的反向恢復(fù)過程引起。圖3為對應(yīng)圖2的等效電路圖。圖5為快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)過程，QR＝Q1+Q2為反向恢復(fù)電荷，trr為反向恢復(fù)時間。從時間t＝tf開始，導(dǎo)通的二極管VDS及線路電感被加以反向電壓，反向恢復(fù)電流iF開始流通。原來導(dǎo)通的正向電流IF以diF/dt的速率減小。由于線路電感的存在，從tf至t0期間，二極管仍正向偏置，其上電壓近似為零；在反向恢復(fù)的前期，iF反向流動，在t＝t1在時，達到最大反向恢復(fù)電流IRm。反向恢復(fù)的后期，由于恢復(fù)電流急劇減小，導(dǎo)致二極管承受很高的反向電壓VRm。
圖5中，從t0至t2期間有i1=iF-VDSRS]]>i2=iF-VDSRS-i3]]>VAK=Vd-VL2=Vd-L2di2dt=Vd-L2diFdt+L2RSdVDSdt+L2di3dt----(1)]]>上式中，結(jié)合圖5可知，在t1至t2期間，
正是此項導(dǎo)致VAK下降；而
項起到阻尼VAK變化的作用，RS越小，阻尼作用越大；
項對VAK影響較小，因為在t1-t2期間i3迅速變?yōu)?。因此，抑制VR的主要措施是采用具有軟恢復(fù)特性的吸收二極管(
盡可能小)并減小RS。在不影響GTO開通安全的情況下，RS降至最小仍不能使VR滿足要求。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種GTO關(guān)斷過電壓低損耗吸收電路。從降低成本同時利于安裝的角度出發(fā)，配合以分析計算和現(xiàn)場實驗對傳統(tǒng)的三角形吸收電路進行改進，使得所設(shè)計的吸收電路能有效地抑制GTO關(guān)斷大電流時在其陽陰極間形成的三個尖峰電壓VDSP、VDM、VR。
本發(fā)明設(shè)計的門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷過電壓低損耗吸收電路，該電路包括(1)一個三角形吸收電路，由兩個電阻-電容-二極管吸收電路及一個鉗位電容組成，用于抑制門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷時產(chǎn)生的過電壓VDSP、VDM、VR。
(2)一個橋臂開通過電流吸收電路，由陽極電抗器、陽極電阻和陽極吸收二極管組成，用于抑制門極可關(guān)斷晶閘管開通時的電流上升速度。
(3)一個鉗位電容器，連接在陽極吸收二極管的陰極與直流母線負極之間，用于抑制過電壓VR。
如上所述的三角形吸收電路的電阻-電容-二極管吸收電路中，二極管和電容間的連線為寬銅板，寬銅板寬度為40毫米，厚1毫米。
本發(fā)明設(shè)計的門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷吸收電路，能有效地抑制門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷時產(chǎn)生的過電壓尖峰，使過電壓尖峰在安全范圍內(nèi)。


圖1是GTO關(guān)斷時陽極對陰極電壓波形示意2是普通的三角形吸收電路圖3是GTO橋臂等效電路4是GTO橋臂換相過程示意5是快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)過程圖6是本發(fā)明所設(shè)計的帶鉗位電容的三角形吸收電路圖7是帶鉗位電容的GTO橋臂等效電路8是不帶鉗位電容時VR的抑制效果圖9是帶鉗位電容時VR的抑制效果圖10是Vd＝2500V、ITGQ＝3500A時的關(guān)斷試驗結(jié)果下面結(jié)合附圖詳細介紹本發(fā)明的內(nèi)容和實施例。
如圖6所示，本發(fā)明設(shè)計的門極可關(guān)斷品閘管關(guān)斷過電壓低損耗吸收電路，包括(1)一個三角形吸收電路，包括兩個電阻-電容-二極管吸收電路，它們分別為RS1、DS1、CS1和RS2、DS2、CS2，一個鉗位電容CCL，用于抑制門極可關(guān)斷晶閘管G1、G2關(guān)斷時產(chǎn)生的過電壓VDSP、VDM、VR。
(2)一個橋臂開通過電流吸收電路，由陽極電抗器LA、陽極電阻RA和陽極吸收二極管DA組成，用于抑制門極可關(guān)斷晶閘管G1、G2開通時的電流上升速度。
(3)一個鉗位電容器CCL0，連接在陽極吸收二極管的陰極與直流母線負極之間，用于抑制過電壓VR。
上述的三角形吸收電路的電阻-電容-二極管吸收電路中，二極管和電容間的連線，即圖6中的粗體線為寬銅板，寬銅板寬度為40毫米，厚1毫米。
下面介紹本發(fā)明的原理。
1)吸收電路連線(圖6中粗體線)的設(shè)計由前面對VDSP的形成的分析可知，在吸收電容和二極管選定的情況下，應(yīng)盡可能減小吸收二極管(DS1、DS2)和吸收電容器(CS1、CS2)之間連線的布線電感。試驗發(fā)現(xiàn)，采用盡可能短的普通圓導(dǎo)線不能保證VDSP值在允許范圍內(nèi)。因此，根據(jù)分析結(jié)果，本發(fā)明設(shè)計了寬40mm、厚1mm的銅板作為吸收二極管和吸收電容間的連線。關(guān)斷大電流的試驗結(jié)果證明了分析及設(shè)計的正確性。
2)VR的抑制由于在不影響GTO開通安全的情況下，RS1及RS2降至最小仍不能使VR滿足要求，因此針對圖2的普通三角形吸收電路，本發(fā)明增加了鉗位電容CCL0來提高VR，如圖7所示。在圖7中，有VAK=Vd-VL2=Vd-L2di2dt=Vd-L2diFdt+L2RSdVDSdt+L2di3dt-L2diCdt----(2)]]>顯然，圖5中在t1至t2期間，

此項可抑制VAK的過度下降，這是由于鉗位電容吸收了部分反向恢復(fù)電荷，等效于使吸收二極管的特性變軟了。
對4500V/4000A GTO所設(shè)計的吸收電路參數(shù)為RA＝0.2歐，LA＝15微亨，RS1＝RS2＝10歐，CS1＝CS2＝6微法，CCL＝2微法，CCL0＝2微法。
本發(fā)明的效果見圖8、圖9和圖10。
試驗采用斬波電路，分別對上橋臂和下橋臂進行實驗。驅(qū)動脈沖周期為160毫秒，開通占空比為3‰(500微秒)。
為檢驗吸收電路連線對VDSP的影響，分別采用截面積為40mm2的電纜線和寬40mm、厚1mm的銅板作為連接吸收電容器(CS1、CS2)和吸收二極管(DS1、DS2)的連線。試驗條件為直流電壓700V，負載電阻0.7歐，關(guān)斷電流1000A。結(jié)果為采用電纜線時，VDSP＝420V；采用銅板時，VDSP＝370V。結(jié)果表明，寬銅板比同樣截面積的圓電纜線有更小的雜散電感。實際電路中使用了寬40mm、厚1mm的銅板。
圖8為不帶鉗位電容CCL0的試驗結(jié)果，圖9為帶鉗位電容CCL0的試驗結(jié)果。試驗條件為直流電壓300V，負載電阻為0.5歐。試驗結(jié)果不帶鉗位電容時VR＝180V；帶鉗位電容時VR＝380V。結(jié)果表明，采用鉗位電容可有效地抑制VR。圖8和圖9中縱坐標表示關(guān)斷電壓，100V/div；橫坐標表示時間，5μs/div。
圖10為額定工況試驗結(jié)果。試驗條件為直流電壓2500V，負載電阻0.7歐，關(guān)斷電流3500A。試驗結(jié)果VDSP＝800V，VDM＝380V，VR＝2400V。結(jié)果表明，帶鉗位的三角形吸收電路滿足使用要求。圖10中縱坐標表示關(guān)斷電壓，1KV/div；橫坐標表示時間，2.5μs/div。
權(quán)利要求
1.一種門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷過電壓低損耗吸收電路，其特征在于該關(guān)斷過電壓低損耗吸收電路包括(1)一個三角形吸收電路，由兩個電阻-電容-二極管吸收電路及一個鉗位電容組成，用于抑制門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷時產(chǎn)生的過電壓VDSP、VDM、VR；(2)一個橋臂開通過電流吸收電路，由陽極電抗器、陽極電阻和陽極吸收二極管組成，用于抑制門極可關(guān)斷晶閘管開通時的電流上升速度；(3)一個鉗位電容器，連接在陽極吸收二極管的陰極與直流母線負極之間，用于抑制過電壓VR。
2.如上所述的三角形吸收電路，其特征在于兩個所述的電阻-電容-二極管吸收電路中，二極管和電容間的連線為寬銅板，寬銅板寬度為40毫米，厚1毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷過電壓低損耗吸收電路,該電路包括:一個三角形吸收電路,由兩個電阻－電容－二極管吸收電路及一個鉗位電容組成,一個橋臂開通過電流吸收電路,由陽極電抗器、陽極電阻和陽極吸收二極管組成,一個鉗位電容器,連接在陽極吸收二極管的陰極與直流母線負極之間,本發(fā)明設(shè)計的門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷吸收電路,能有效地抑制門極可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷時產(chǎn)生的過電壓尖峰,使過電壓尖峰在安全范圍內(nèi)。
文檔編號H03K17/08GK1267962SQ00105938
公開日2000年9月27日 申請日期2000年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月21日
發(fā)明者劉文華, 梁旭 申請人:清華大學(xué)